3. Light Absorption and Optical Losses

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トニオ・ブオナッシジ：本日は、実際の太陽電池デバイスそのものに関する最初の技術的な議論を行います。前回の授業では、太陽と太陽資源の性質について話しました。本日は、光と物質の相互作用について話します。特に、光の吸収に焦点を当てます。この講義は、代わりに「光が吸収されないこと」または「光学的損失」と呼ぶこともできます。両方とも重要であり、後で見るように、両方とも関連しています。これはコースの基礎の一部です。私たちの位置を確認するために、私たちは今、コースの最初の3分の1である基礎の部分にいます。その後、技術と横断的なテーマについて話します。そして、私たちが話すことは非常に重要です。なぜなら、それは技術を理解することを可能にするからです。それらについて議論し始め、この特定の技術をより多くの光を吸収する方法で実装するためのコストのトレードオフについて議論するとき、私たちはその技術開発の影響をどれだけ定量化できるかを理解することができます。そして、後でそれにコストを割り当て、総費用便益分析を決定することもできます。したがって、変換効率は、デバイス、太陽電池デバイスの性能を実際に決定するものです。太陽電池デバイスが太陽光、入力エネルギーを、通常は太陽光パネルからの電気の形で、何らかの利用可能な出力エネルギーに変換する方法です。例えば、ここから出てくる電気です。そして、その変換効率、その単純な方程式は、ほとんどの太陽電池において、以下のようになります。入力があります。ここで小さなフォントをすみません。これは太陽スペクトルと読みます。それがあなたの入力です。あなたの出力は、電荷収集であり、デバイスから出てくる集合的な電荷であり、その間には多くのステップがあります。太陽スペクトルから、光を吸収し、次に物質中の電荷を励起する必要があります。次に、その電荷は、前面の金属コンタクトに到達するために、物質内部を移動する必要があります。電圧が発生するためには、電荷分離が発生する必要があります。そして最後に、電荷収集プロセスです。したがって、このデバイスの総効率は、これらの個々のプロセスの積です。そして、もしあなたが太陽電池デバイスを作っているなら、そしてあなたの背景調査によると、あなた方の約3分の1がそうであると私は知っています、この図はあなたにとって真実を響かせるでしょう。それはリービッヒの最小律です。これが表しているのは、水が滴り落ちている樽です。そして、水は木材の最も短い部分から流れ出ます。そして、太陽電池デバイスの場合、これらの木材の各部分に特定の名前を付けることができます。私たちは時間とともにそれらが何であるかを学びます。しかし、大きなものの一つは光学的損失です。そして、光学的損失は、私たちの実験室規模のセルの一部ではかなり深刻になる傾向があります。したがって、効率を向上させる最も簡単な方法の1つは、光学的損失に対処し、反射または吸収されない光の量を最小限に抑え、実際に吸収される光の量を最大化することです。そして、それを行うために、標準的な技術と最先端の研究分野がいくつかあります。そして、私は両方の概要と調査を提供しようとします。もちろん、あなたが背景の読書を終えたと仮定します。したがって、学習目標は、まず、太陽電池の反射率と非吸収光学的損失を計算できるようになることです。これは本質的に吸収されないすべての光です。それを計算できるようになりたいです。第二に、光学的損失を減らすための4〜5（ここでは5つあります。最後に1つ追加しました）の高度な方法の物理的根拠と実装を説明することです。したがって、私たちが開発し、時間とともに使用してきた技術があり、光学的損失を最小限に抑え、太陽電池デバイス内で反射または吸収されない光の量を最小限に抑えるために使用できます。したがって、これを視覚的に考えるために、次の図を思いつくことができます。ここでは、入射エネルギー、この場合は入射光があります。これは私たちの媒体です。これは吸収される光の量です。これは、材料を通過する際に材料内で吸収されない、まっすぐ透過する光の量です。そして、太陽電池デバイスの前面から反射される光の一定量があります。明らかに、私たちはこの部分を最大化したいです。したがって、まず、光、光の性質の簡単なレビューを行います。これは光の粒子波二重性に戻ります。光を粒子、光子、または波として考えることは、どちらの光管理技術を説明するかによって役立ちます。そして特に、ここにこれらの数式を強調したいと思います。入ってくる光子のエネルギーを定義できるという考え方、そしてその光子は特定の波長、特定の周波数、それに伴う特定の波長を持っています。周波数と波長は、もちろん、光速、プランク定数などによって関連付けられています。したがって、広範な数値で私たちの位置を確認するために、波長に関連する空間次元について話すときに、それについて常識、一般的な感覚を持つことができる状況にいます。可視光子の波長は通常数百ナノメートルです。そして、太陽スペクトルは550あたりでピークを迎えます。これは覚えておくのに良い数字です。これは太陽スペクトル、積分太陽放射輝度対波長でした。そして、同様に有効な2番目の点は、入射光の波長、入射光の波長λ、または入射光のエネルギー、このE sub ph、光子のエネルギーを記述できることです。したがって、再び私たちの位置を確認するために、可視光子のエネルギーは通常0.6〜6 eVの範囲です。電子ボルト、再び、太陽スペクトルのピークは550ナノメートル、約2.3 eVです。良い。したがって、部屋にいる高エネルギー物理学者の皆さんにとって、可視光について話すとき、私たちはシステム内の非常に特定の種類の電子、価電子と相互作用していることを覚えておくと良いでしょう。これらは通常、システム内で最も緩く結合している電子、または物質内の原子の外殻にある電子です。通常、可視光ではコアシェル電子とは相互作用しません。そのためには、X線が必要です。したがって、これは覚えておくべきことです。物質内の吸収の波長依存性を見始めると、例えば、可視光範囲では、エネルギーが増加するにつれて光の侵入深度が減少する可能性がありますが、X線では逆です。それは、異なる種類の電子と物質を扱っているからです。したがって、私たちの位置を確認するために、部屋にかなりの数の物理学者と化学者がいることを知っています。これは彼らに向けたメッセージです。光が物質とどのように相互作用するかを説明しましょう。そしてまず、いくつかの変数を思いつきます。光が物質とどのように相互作用するかを理解しやすくするいくつかの単位を定義します。そして、ここで私があなたのために配置したのは、物質の複素屈折率を記述する方程式です。これは実質的に、物質の屈折率を2つの異なる成分で構成されていると考えることができます。今のところ、それはかなり知的なものになるでしょうが、私はそれを数枚のスライドで実践に落とし込みます。屈折率の実数成分、そして屈折率は物質固有の特性です。たとえば、シリコンや窒化ケイ素、または特定の種類のガラスを持っている場合、それは特定の屈折率を持ちます。それは、物質内の位相速度を示す実数成分と、消衰係数と考えることができる虚数成分で構成されています。そして、それはその物質を通過する光強度の減衰に関連しています。分光エリプソメーターで測定を行ったことがある人のための測定値は、そこでそのパラメータを測定する方法です。クラスの目的のために、それほど深く掘り下げる必要はありません。それは背景のためだけです。これらの値がなぜ重要なのか、これらの値は物質内、媒体内での光の相互作用を記述します。そして、私たちはその情報を使用して、表面からの光の反射率などの工学的に関連するパラメータを計算します。したがって、ここにあるシリコンからの光の反射率を計算したい場合、シリコンの屈折率の実数成分と虚数成分を知ることで、これらのプロパティを知ることで計算できます。そして、それが重要なのは、表面からの反射を最小限に抑えたいからです。したがって、ここに最初の方程式があります。これは空気から固体への反射率を記述しています。この場合、屈折率が1の空気から、有限の屈折率を持ち、通常は1より大きいシリコンやガラスなどの固体への反射率です。そして、ここに反射率を記述する方程式があります。それをもう少し詳しく見て、その方程式が正確に何を伝えているのかを理解しようとします。したがって、力学を学んだ人々、部屋にいる多くの機械工学専攻の皆さん、2つのばねが接続されている問題について学んだことを覚えているかもしれません。それらは異なるばね定数、異なる剛性を持っています。そして、ここで波を励起します。それは下に進みます。そして、2つの間の界面に到達すると、波の一部が反射され、一部は通過します。ばねの剛性が変化するため、波の速度は一方のばねからもう一方のばねへ移動するときに変化します。そして、反射される量は、その上の方程式と非常によく似ているこの方程式で記述できます。これは界面からの反射される光の量を記述しています。そして実際には、それらの端は非常に似た意味を持ちます。nとzです。nは、光の場合、屈折率の実数成分です。このパラメータは、物質内の位相速度を示します。また、物質に入ってくる電磁波が電子を揺さぶる能力と非常に緩やかに考えることもできます。厳密な剛性係数ではありませんが、いくらかの粗い類似性があります。したがって、これは、以前に見たものに基づいて、物質の屈折率のこの新しい領域に足がかりを得るための方法です。したがって、この類推は、それが壊れるまで、できる限り進めることをお勧めします。それが壊れるまで、できる限り進めてください。そして、ある時点で実際に壊れることがわかりますが、始めるのに役立つ場所です。したがって、いくつかの質問をします。これは多くの人にとって新しいかもしれません。しかし、これらの質問をする目的は、あなたに考えさせることです。そして最終的には、その結果として理解が深まる段階に到達します。着色窓。したがって、着色窓がある場合、通常そこで何が起こっていますか？なぜ中が見えないのですか？何が起こっていると想像しますか？したがって、この反射率方程式に戻りましょう。この方程式です。窓からの反射率をどのように変更しますか？kは一旦置いておきましょう。それらは脇に置いて、このパラメータ、(n-1)^2 / (n+1)^2 に焦点を当てましょう。私がより大きなnまたはより小さなnを持っている場合、その窓からの反射率を増加させるものは何ですか？nが大きいと、反射率が大きくなります。それは正しいですか？rは上がりますか？まあ、プロットする必要があるでしょう。したがって、私が扱っている物質の屈折率を変更すると、界面、表面からの反射率を変更できます。たとえば、窓にコーティングを追加して反射率を上げると、内部から私の目に入る光の量が減少します。したがって、法線入射光の場合、美しい対称性が関与しています。つまり、片側からの反射量は、もう片側からの反射量と等しくなります。したがって、私が中を見る能力を失うのと同じように、中の人々も外を見る能力を失います。しかし、彼らはまだ外を見ることができます。なぜですか？なぜ同じ反射率で、彼らは外を見ることができ、私はその着色窓、例えば走っている車の中を通り抜けて見ることができないのですか？なぜ私は中を見ることができないのに、彼らは外を見ることができるのですか？何が起こっているのですか？聴衆：[聞き取れない]。トニオ・ブオナッシジ：ええ、誰か聞こえます。聴衆：外の光は、反射される光の絶対量という点で、はるかに強いです。トニオ・ブオナッシジ：はい、その通りです。したがって、はい、反射率（パーセンテージ）は両当事者にとって同じです。しかし、光の量、外部からの光の大きさは、内部からの光の量よりもはるかに、はるかに大きいです。誰か直感的な感覚を教えてくれますか？晴れた日に外にいる場合、ここよりも外の方がどれくらい明るいですか？要因は？聴衆：100倍くらいですか？トニオ・ブオナッシジ：10倍くらい、その範囲内でしょう。したがって、晴れた日に外に出ると、目が少し調整されることに気づくでしょう。1分かかります。そして、ここに戻ってくると、ここでも目が調整されるのに1分かかります。それは強度の違いによるものです。したがって、その車の外にいて、反射される光の量が10倍あると想像すると、車内から外の世界に窓を通過する実際に透過する光のその小さな量は、反射光の量によって洗い流されます。一方、車内にいる場合、窓を通過する光はたくさんありますが、反射される光が多くても、通過する光はかなりの量があります。そして、窓から反射される内部光の量は、その窓を透過する外部光と比較して小さいです。したがって、これらのプロセスを、パーセンテージとしての反射率だけでなく、関与する光の大きさの観点からも考えることが重要です。もしそのガラス板をひっくり返したらどうなりますか？ガラスをひっくり返したら何か変わりますか？対称性の議論、つまり反射される光の量、r反射率は両側で同じであるという議論はどうなりますか？聴衆：外側にコーティングがあるのではないでしょうか？だから、外側からこのコーティングを見ると、屈折率の変化は急激な変化です。内側では、外側よりもインデックスマッチングが進んでいるガラスという媒体を通過しています。トニオ・ブオナッシジ：ええ、その計算を実際にやってみることをお勧めします。そして、それは同じになることがわかります。そして、それは、これらのすべての界面からのすべての反射率を考慮に入れる必要があるからです。実際には、3つの界面があります。空気とガラス、ガラスと反射防止コーティング、そして反射防止コーティングと外部です。もちろん、これは、数分で説明する四半波長効果に触れることなく、位相変化を扱う高次の効果がいくつかありますが、現時点では議論していません。これらのすべての層の厚さが光の波長よりもはるかに大きいと仮定し、これらの線形方程式が有効であると仮定します。非常に良い。これは、反射率という新しい概念を理解するためのものです。そして、再び、非常に強力な方程式です。これは、空気から固体への反射率の非常に特殊な形式であることを覚えておいてください。固体から固体への場合、入る物質と出てくる物質に応じて、n1とn2を追加します。おそらく、講義でそれについて話すことができます。さて、次に、表面からの反射率について話しました。次に、物質内の光の吸収について話したいと思います。したがって、講義で後ほど議論する技術を通じて、前面からの反射率を最小限に抑えることができたと想像してみましょう。そして今、物質に入射する光は実際に内部に入り、物質によって吸収されます。物質内で光がどのように吸収されるかを理解する必要があります。そして、そのために、このクラスでは非常に単純な定式化、Beer-Lambertの法則と呼ばれるものを適用します。これは、光と太陽電池物質の相互作用だけでなく、大気中の光、水、その他の多くの光学吸収の形態を記述する、非常に単純でありながら非常に強力な定式化です。そして、そのために、Joeに、彼が作成した簡単なデモをしてもらい、Beer-Lambertの法則を実際にプロットできるようにしたいと思います。そして、単純な仮説から始めたいと思います。Joeが数分でこれを説明しますが、私たちは何をするかというと、多くのシートの物質を取ります。これは少し変色したポリエチレンの物質です。そして、レーザーをフォトダイオードに照射します。フォトダイオードの電流は、この小さな電流計で測定されます。そして、その中間にこれらのプラスチックのパネルを挿入します。そして、プラスチックの厚さを増やし、間の空気の隙間を最小限に抑えるために良い圧力をかけながら、ポリエチレンの厚さを増やしていくと、フォトダイオードで測定された総透過光をプロットします。そして、何が起こるかについての仮説を立てます。ポリエチレンの厚さを倍にすると、透過する光の量が半分になると言います。そして、3倍にすると、3分の1に減少します。そして、4倍にすると、4分の1に減少します。そして、仮説が正しいかどうかを確認しましょう。そうではありません。しかし、それをテストします。そして、それはあなたが仮定するかもしれない論理的なことです。そして、私たちの誤った論理を訂正する導出を歩みます。では、Joe、どうぞ。JOE：はい、皆さんも一緒にやってみてください。ノートの横に線があります。小さなグラフ用紙を作ると、きれいに仕上がります。基本的に、レーザーポインターとフォトダイオードがあります。そして、このフォトダイオードからの電流は、そのフォトダイオードに当たる光に直接比例します。そして、それは量子効率を持っており、数回の講義でそれが何であるかを学びますが、約60％です。したがって、それに当たる光子のうち、一定数の電子が得られ、その比率は60％です。まず、私たちの力の状態を見てみましょう。ええ。現在、約1.32ミリアンペアを得ています。したがって、Tonioはそれをプロットします。次に、増やし続け、ポリエチレンの1層を置くと、0.75に低下します。トニオ・ブオナッシジ：次のものに進む前に、次の点が総強度をどれだけ低下させると人々は予測しますか？それはそのように直線的な線になりますか？あなたはそれを期待しますよね？なぜなら、あなたはそれを倍増させているからです。したがって、あなたは強度がさらに2倍になると予想するでしょう。なぜダメなのですか？どこで間違っているのですか？誰かが指数関数的だと言っています。それは指数関数的であるべきだという感覚があります。フィルターをさらに追加してみましょう。そして、それが正確に何になるかを見てみましょう。JOE：これは2つです。トニオ・ブオナッシジ：2つです。JOE：現在、0.43を得ています。トニオ・ブオナッシジ：0.43です。わかりました。では、傾向を見るためにあと1つやってみましょう。まだ0.26です。JOE：0.26です。トニオ・ブオナッシジ：0.26です。わあ、すごい。わかりました。直線にはなりませんでした。実際に曲がり始めています。クール。わかりました。JOE：そして、さらに進めます。0.16です。トニオ・ブオナッシジ：0.16です。JOE：0.10です。トニオ・ブオナッシジ：0.10です。わかりました。見てください。どのような曲線ですか？指数関数的です。少なくともそう見えます。そして、指数関数的なフィットで仮説が正しいかどうかをテストできます。それは偶然よく一致します。だから、JOE：もう一つ気づいたのは、フィットを見ると、最初の点がフィットよりも少し高いことです。なぜそうなるのか、誰かアイデアがありますか？この実験で何を見落としていますか？聴衆：反射が[聞き取れない]。JOE：反射です。最初のものでは、光を反射し、一定量の光が前面を透過してから吸収されます。そして、現在、私たちは1-rの成分を無視しています。しかし、この実験にはほとんど影響しません。これらのものは光をあまり反射しません。トニオ・ブオナッシジ：クール。では、簡単な拍手喝采をしましょう。[拍手]よくできました。それらを1つもらえますか？JOE：もちろんです。トニオ・ブオナッシジ：これは浸漬散乱デモに重要になります。JOE：ああ、はい。トニオ・ブオナッシジ：はい。クール。わかりました。したがって、媒体を透過する光強度の減衰に指数関数的な特性があることがわかりました。そして、吸収される量は別の傾向に従っており、それは単にそれの1マイナスです。したがって、吸収される光の量は、おおよそそのような曲線に従っています。さて、Beer-Lambertの法則の形式を見て、なぜそこに指数関数が得られるのかを理解しようとしましょう。したがって、光が媒体に入り、光がその媒体に何らかの関数で減衰し、一定量の光が透過すると仮定すると、私たちの小さな実験から、それが何らかの指数関数に従うことはわかっています。しかし、それをどのように正当化できるでしょうか？まず、前面からの反射を無視します。それについて話しました。計算できます。今は並行計算として脇に置いておきましょう。媒体内部で何が起こっているのかだけを気にしています。したがって、媒体内の強度の変化が、媒体内の何らかの散乱強度によって影響されると仮定すると、このシグマはさまざまなプロセスを参照できます。それは、自由電荷の生成をもたらす吸収イベントを参照できます。それは、単に物質を加熱し、フォノン、つまり格子振動を生成する吸収イベントを参照できます。シグマには多くのプロセスが埋め込まれており、それがこの定式化が非常に強力である理由です。なぜなら、シグマの物理的性質が何であれ、それは実際には気にしないからです。それは、物質内部を移動する単位距離あたりの吸収があり、それが物質全体で一定であるという事実だけが重要です。したがって、ここでのシグマは厚さ全体にわたって独立しています。そして、それを積分すると、最終的に美しい指数関数が得られます。シグマlとnです。nとシグマをここでアルファにまとめます。そのアルファは吸収係数です。lは、この媒体の総長または総厚です。したがって、総厚を増やすと、その指数関数を介して透過する光の総量が減少します。一方、アルファは幾何学的パラメータではありません。それは固有の物質パラメータです。部屋にいる多くの機械工学専攻の皆さんにとって、固体力学、2001年を思い出すと、構造応答を決定する幾何学的パラメータと、システムの構造応答を決定するヤング率のような固有の物質パラメータがあることを思い出します。そして同様に、光学的な応答、いわば、私たちは基本的な固有の物質パラメータ、アルファ、吸収係数、そして幾何学的パラメータ、rl、つまり厚さを持っています。そして、この定式化の美しさは、そこで実験的に測定できることです。私たちの物質のアルファを測定できます。したがって、工学的な観点から、物質内でどのような散乱または吸収プロセスが発生しているかは、透過光の量を計算するために、実際には、一次近似では、あまり重要ではありません。アルファを知るだけでよいのです。光学吸収係数を知るだけでよいのです。このアルファは、物質内の波長の関数として変化します。なぜなら、明らかに、物理的な吸収メカニズムは波長の関数として変化するからです。物質内の異なる電子状態との共鳴、その光は、光のエネルギーに依存し、周波数に依存します。したがって、波長依存性があります。はい、そしてその一般的な方程式は、大気中を移動する光強度の減少を駆動するのと同じ方程式です。したがって、大気経路長を増やすと、地球の表面に到達する光の量が減少します。それは、空気質量2または空気質量3では、空気質量1または空気質量0よりも少ない太陽流束が降りてきます。アルファは、明らかに、これらの小さなポリエチレンシートの場合よりも、私たちの大気では非常に異なります。なぜなら、散乱と吸収プロセスの性質は、大気とここでの性質が非常に異なるため、物質の密度などです。質問はありますか？はい？聴衆：nは何でしたか？トニオ・ブオナッシジ：したがって、nには、ある散乱強度があり、次に、例えば、物質の数密度があります。したがって、このアルファは、密度に依存しないと言えます。私たちがやったことは、アルファが物質の物理的パラメータと吸収プロセスをすべて1つの変数に、非常にうまく簡潔にカプセル化していることです。そして、本質的な唯一の幾何学的パラメータは、本当に私たちのlです。聴衆：吸収係数と呼ばれていますが、実際には拡張係数ではありませんか？散乱を含むので、少し混乱します。トニオ・ブオナッシジ：拡張係数、吸収係数、はい、太陽研究では、物質内の吸収係数について話すとき。多くの場合、自由電荷が励起される波長領域で動作しています。しかし、光の波長を、たとえば10ミクロンまで、非常に長い波長の光、非常に低いエネルギーの光までさらに増やすこともできます。そして、それは物質内の自由キャリアを励起することができます。すでに励起されているキャリア、実質的にそれらをさらに励起しますが、物質内に新しい自由キャリアを生成することはありません。したがって、光を当てることで必ずしもより多くの電流が生成されるわけではありませんが、それでも物質内で光を吸収します。したがって、根本的な物理プロセスを区別しておくことが重要です。後でそれに触れます。今のところ、媒体を通過する光強度の指数関数的な減衰があることを認識することが重要です。そして、次の数回のクラスで、何が起こっているのか正確な物理プロセスを学びます。しかし、人々が質問していることを嬉しく思います。さて、再び、アルファは光の波長と媒体の特性の関数です。そして、アルファ対波長の曲線をいくつか表示します。これにより、人々はそれらの数値に触れることができます。再び、ここでは約6.2 eVから0.62 eVまでの非常に広いエネルギー範囲について話しています。可視光の波長範囲は、この領域のどこかになります。したがって、非常に限られた帯域です。そして、赤外線はここ、紫外線はここ、そしてさまざまな種類の物質について、吸収係数がどうなるかを見ることができます。ここではゲルマニウムがあります。赤は結晶シリコン、ガリウムヒ素、リン化インジウム、アモルファスシリコンです。では、少し計算してみましょう。学期が始まってきていますので、エネルギーレベルが下がってきています。値を選びます。たとえば550ナノメートルです。なぜ550を選んだのですか？太陽スペクトルのピークに近いですよね？それは重要です。そして、2つの異なる物質を見ます。シリコンとガリウムヒ素を見ます。そして、550ナノメートルで入射光の90％を吸収するために必要な厚さを計算します。隣の人に話しかけて、もう一度隣の人と、ガリウムヒ素の厚さ、黄色の曲線、そしてシリコンの厚さ、赤色の曲線が、550ナノメートルで入射光の90％を吸収するために必要となる厚さを計算してください。どうぞ。たとえば、2分ほど時間を差し上げます。人々が正しく設定していることを確認するために、90％の光を吸収するためにi / i0を計算すると、それは0.1、1-0.9になります。さて、計算を最終化している間に、正しく設定したことを確認したかったのです。再び、90％の光を吸収しているということは、10％の光しか反対側に出ていないということです。つまり、iはi0の1/10になるか、i / i0は0.1になります。そして、両辺の対数を取って、ここでアルファに基づいてlを解きます。再び、アルファの単位は逆センチメートルになります。そして、あなたが取得したlは、まずガリウムヒ素についてです。誰か計算を最後までやり遂げましたか？聴衆：20マイクロメートル。トニオ・ブオナッシジ：20マイクロメートル。ガリウムヒ素用ですか、それともシリコン用ですか？聴衆：ガリウムヒ素。トニオ・ブオナッシジ：ガリウムヒ素。ガリウムヒ素について他の数字を得た人はいますか？聴衆：0.4。トニオ・ブオナッシジ：0.4ミクロン。ええ。それはより的確な範囲に聞こえます。他に誰かいますか？聴衆：23。トニオ・ブオナッシジ：23も。したがって、私は推測したでしょう。ガリウムヒ素の場合、その数はかなり小さいでしょう。たとえば、1ミクロン、その順序で。皆さんが計算を終えるのに十分な時間を与えましょう。計算を急かしたことは知っています。伝えるべき材料があります。そして、プレッシャーの下でパフォーマンスを見ることを望みました。しかし、シリコンはどうですか？大きいですか、それとも小さいですか？まず桁数と一般的な傾向について、そして正確な数字を拾ってみましょう。結晶シリコンの場合、ガリウムヒ素よりも桁違いに小さい光学吸収係数を持つ場合、同じ量の光を吸収するために必要な厚さは大きくなりますか、それとも小さくなりますか？聴衆：大きい。トニオ・ブオナッシジ：大きい。によって、聴衆：桁。トニオ・ブオナッシジ：桁、素晴らしい。わかりました。したがって、ガリウムヒ素について得た数字は何であれ、それを比較的簡単に変換できます。さて、それは550でした。そして、550の周りには多くの太陽放射があります。したがって、私の頭の中の数字は、ガリウムヒ素の場合は約1ミクロン、少し少ないくらい、シリコンの場合は約10ミクロンくらいです。しかし、800まで行くと、そこにもまだ多くの太陽流束があります。太陽スペクトルを覚えている人、宿題をした人、800の周りにはまだ多くのフラックスがあります。実際、黒体のように減衰する強度ではありますが、すべてここまですべて続きます。そして、波長800ナノメートルの光では、光学吸収係数は太陽スペクトルのピークと比較して約1桁減少します。そして、それが結晶シリコンのほとんどの太陽電池が約100ミクロンである理由です。通常は技術的な理由で少し厚くなります。非常に、非常に薄いものを扱うのは難しいです。しかし、物質を1回通過すると仮定すると、多くの光を吸収するにはその厚さが必要になります。そして、これらの材料の一部を回覧して、厚さを実感できるようにします。さあ、どうぞ。実際、私がやろうとしていることは、大きな破片を取り出して、すでに壊れている小さな破片をここに残すことです。そして、実際に拾うこともできます。これらの小さなシリコンの破片は、シリコンは脆い素材であることを知っておいてください。ガラスのようなものです。したがって、シリコンの小さな破片を持っていると、ガラスの破片のようにあなたを突き刺す可能性があります。したがって、非常に、非常に薄いガラスを扱うのと同じ敬意を持って扱ってください。しかし、この箱の中のこれらの材料の厚さを見ると、これらはシリコン太陽電池ウェーハの小さな破片です。それらの厚さは約100ミクロンで、これらは特に薄いです。他の太陽電池は、シリコンの典型的な厚さである170ミクロンです。そして、ガリウムヒ素の場合、1ミクロン以下の薄膜を堆積させることができます。数百ナノメートルまで下げても、実際にガリウムヒ素太陽電池の記録的な効率は数百ナノメートル厚です。そして、ここでの計算は、物質を1回通過することを想定していました。それが光に与えたすべてです。吸収される機会は1回だけでした。吸収される総光量を増やすために、何を想像できますか？デバイスに何をすれば、吸収される総光量を増やすことができますか？聴衆：反射防止コーティングを施す。トニオ・ブオナッシジ：反射防止コーティングを施すことができます。もっと簡単なことをしましょう。聴衆：背面に反射コーティングを施す。トニオ・ブオナッシジ：背面に反射コーティング、その通りです。ええ。したがって、光が太陽電池を通過して吸収されない場合、その10％の光が通過しなかった光は反射されて戻ってきます。もう一度通過する機会を得ます。したがって、最初のパスで光の90％を吸収した場合、2回のバウンスで光の99％を吸収することになりますよね？または、1回のバウンス、そして2回の経路、物質を通過する2回の光路長で。したがって、光路長という用語は非常に重要な用語です。なぜなら、光路長は物質の厚さである必要はないからです。理想的には、物質を通過する光路長は、実際の物質自体よりもはるかに長くなります。そして、次の数枚のスライドで、それをどのように設計するかを学びます。したがって、光学的吸収を改善する方法、一般的に、これらは光閉じ込めと呼ばれます。これらすべてが光を閉じ込めるわけではありません。実際、ほとんどがそうです。また、光管理とも呼びます。これは、物質内の反射と吸収を含む、より一般的な用語です。したがって、前面でできる最も簡単なことは、前面表面をテクスチャ化することです。前面表面にテクスチャがない場合、完全に平坦な場合、鏡面表面と呼ばれるものになります。鏡面は、ラテン語の言語、たとえばイタリア語のspecchioは鏡から来ています。したがって、平坦なシリコン基板、鏡面は有限量の光を反射します。そして、それは物質の屈折率の実数成分に関連していることがわかっているので、それを計算できます。今、表面をテクスチャ化した場合、これはピラミッド型のテクスチャ化を表しています。光が入ってきて、一部が物質に入らない場合、この光線の一部がここに物質に入りますが、この図では無視しています。反射される光線に焦点を当てています。反射されたビームは、太陽に向かって戻るのではなく、再び物質に向かいます。したがって、吸収される機会がもう一度あります。したがって、たとえば、表面の反射率が10％の場合、ここでは10％の反射率から1％の反射率に変わりました。なぜなら、反射される光の総量は、0.9の代わりに1-0.9の2乗になるからです。この場合、反射される光の量は、10％の反射率を仮定すると、1-0.9、つまり10％の光になります。そしてここでは、反射される光の量は、(1-0.9)^2、つまり10％ではなく1％になります。したがって、テクスチャ化は光がデバイスに入る確率を増加させます。そして、それがすることのもう一つは、これは二次的な利点ですが、それは入射光の経路長、実効経路長を増加させます。そして、その現象を理解する方法は、スネルの法則と呼ばれます。まあ、スネルの法則がない場合でも、いや、そこに行きましょう。そこに行きましょう。したがって、テクスチャ化された前面表面があります。何が起こっているのですか？さて、物質が一方の媒体からもう一方の媒体に移動すると、屈折率が変化します。講義の冒頭でまさにこれを議論しました。したがって、電磁波がシステム内の電子を振動させる方法は、一方の媒体からもう一方の媒体へ、たとえば空気から太陽電池デバイスへ、空気からシリコンへ移動するときに変化します。今、空気とシリコンの屈折率をこのように割り当てることができます。そして、光路はスネルの法則と呼ばれるものに従います。これは、屈折率と角度のサインの積です。角度は表面法線に対する角度です。したがって、これを考える簡単な方法は、光が低い屈折率の媒体から高い屈折率の媒体へ移動するとき、光は法線に向かって曲がりますか、それとも離れますか？したがって、空気からシリコンへ移動する場合、光は法線に向かって曲がりますよね？したがって、ここではθ1はθ2よりも大きくなります。このシリコンと、ここの白いものが空気だとすると、光は法線に向かって曲がりました。したがって、ここに私のθ1は、表面法線に対する光の角度として定義されていました。私のθ1です。私のθ2は、屈折率の比率として与えられます。そして、シリコンの屈折率は空気の屈折率よりも大きいので、光は法線に向かって曲がります。そして、ここに私の表面テクスチャがある場合、光が入ってきて、曲がりました。したがって、実効光路長はデバイスの厚さよりも長くなります。それはクールです。したがって、前面表面をテクスチャ化することには2つの利点があります。1つは、追加のパス、追加のバウンス、物質との追加の遭遇があることです。したがって、反射された光は入る機会をもう一度得ます。そして2番目の利点は、屈折率の差と光路がスネルの法則に従うという事実によって、実効光路長を増加させることができることです。さて、スネルの法則のもう一つの非常に興味深い側面は、光が高い屈折率の媒体から低い屈折率の媒体へ移動しようとしており、非常に斜めの角度で入ってくる場合、スネルの法則を実行すると、出てくる角度が得られないことです。実際には、表面に沿って落ちるか、ほとんどの場合、角度によっては跳ね返ります。そして、全内部反射と呼ばれるものがあり、これはここにあるケースです。その小さなバウンス、入った光が裏側で跳ね返り、再び反射されたという友好的なバウンス。それは全内部反射イベントです。そしてそれは太陽電池モジュールで起こります。ここで、光が入ってきて、ここの白い裏側のスキンで跳ね返り、次に角度で散乱されると、前面ガラスで全内部反射を起こし、太陽電池内部に戻る機会をもう一度得ることができます。したがって、セル間にこの白いスペーシング、白い材料がある理由の1つは、光がそこから反射されることです。それはあまり審美的ではありません。すべて黒くしたいかもしれません。そして、すべて黒くしたい場合、代わりに何をしますか？聴衆：前面。トニオ・ブオナッシジ：前面、そうですね？ガラスの反射防止コーティングの性質を変更するかもしれません。反射防止コーティングは数分で説明します。したがって、パネルが黒く見えても、完全に黒く見える非常に審美的な太陽電池パネルがいくつかあります。それらはまだ白い裏側のスキンを持っているかもしれませんが、ガラスは光を吸収し、それが逃げるのを防ぐのに非常に優れています。したがって、前面と背面の表面反射率を設計するには、両側の材料と屈折率を慎重に選択する必要があります。そして、それは非常に重要です。非常に重要です。話を短くすると、昨年発表されたガリウムヒ素の記録的な効率の太陽電池は、優れた光管理によって達成されました。そして、それがどのように起こったのかを、おそらく講義8または9あたりで説明します。それでは、ゲームをしましょう。プールを見ます。これは水で満たされたプールです。水の屈折率は1.3です。空気は1です。そして、それが通常の視点です。光は法線に向かって曲がりますよね？そして、あなたはプールの中の、あなたの視線にない、直接の視線にないものを見ることができます。それは、下を見るとき、光線がこのように移動し、法線に向かって曲がり、同様に対称的だからです。したがって、あなたは下にある物質を見ています。どのような特性の変化が、これらの2つの画像をもたらしますか？ヒントを差し上げます。これらの2つの画像のうち1つでは、プール内の媒体の屈折率は1.3ではありません。0.9です。0.9です。そして、この2つのうちのもう1つでは、媒体の屈折率は実際には負になります。負の屈折率材料、負のインデックス材料と呼びます。したがって、これらのうちどちらがどちらだと思いますか？講義ノートを見ずに、隣の人と素早くチャットしてください。では、皆さんが答えを絞り込んでいる間に、説明します。表面からの反射率と、光が移動する角度、または屈折の角度、つまり、光が一方の媒体からもう一方の媒体へ移動するときの曲がりについて考えてみてください。したがって、屈折率が-1.3の材料に行くと、前面からの反射率は変わりますか？それは依存しますが、ここでは答えが示されています。この特定のシステムでは。座って方程式を解く必要がありますが、本質的に、負の屈折率材料で満たされたプールでは、プールから出てくる光の角度に影響を与えています。ここではプールの角が見えますが、それが見えるはずはありません。光がこのように移動して戻ってきただけです。なぜなら、それは負の屈折率材料だったからです。光は実際にはこのように動きました。聴衆：プールの中には何がありますか？トニオ・ブオナッシジ：ああ、それは単なる角です。したがって、そのプールの中には何がありますか？それはコンピュータ生成のグラフィックです。これは実際のプールではありません。負の屈折率材料は存在しますが、まだその量ではありません。これらは比較的少量であり、基礎科学の研究です。したがって、この場合、光線の角度の曲がりが少なくなります。したがって、ここでは端に向かう特徴をあまり見ることができません。そして、反射率も、反射条件を劇的に変更した結果として変化しました。聴衆：なぜ反射率が上がり、インデックスが下がったように見えるのですか？トニオ・ブオナッシジ：その特定のケースでは？彼らが言いたかったのは、主に反射率の変化だと思います。したがって、彼らは、材料から出る光の角度に加えて、表面からの反射を修正していたことを強調しようとしていました。数分でスネルの法則に戻ります。しかし、今のところ、次の概念、ランバート反射器に移りたいと思います。太陽電池コミュニティでは、このトピックまたはこの言葉をかなり頻繁に耳にするでしょう。そして、それは多くのことを意味するためにかなり自由に、ルーズに使われています。光学では特定の意味がありますが。したがって、その非常に具体的な意味を示し、次に太陽産業でそれがどのように緩やかに意味されるようになったかを説明します。したがって、拡散ランバート反射器は、余弦θ依存性に従う反射率に従います。したがって、サンプルに入ってくる光、表面法線、および出ていく光線が角度θを形成する場合。そして、それらが完全に整列している場合、その角度からの反射率は大きくなります。それらが互いに垂直である場合、その角度からの反射率はゼロになります。したがって、ここでの表面に平行な反射率はゼロです。そして、その間のどこでも、反射の大きさは余弦θとして変化します。それが、ランバート反射器の、いわば、厳密な定義です。しばしば、太陽産業では、おそらく光学のバックグラウンドが不足しているため、ランダムなものを単に呼びます。

反射面はランバート散乱体です。これは非常に緩やかに使われる言葉です。そして、それは厳密には間違っていますが、それにもかかわらず、私たちの業界で生き残っているものの1つです。したがって、鏡面反射体（今分析していたもの）とランバート反射体の違いは、通常、これらがどのように作られるかというと、表面にランダムなテクスチャがあるということです。そして、おそらくそれがこの誤解の起源です。光が反射してくる際にランダムな反射率を得るわけではありませんが、表面自体はかなりテクスチャ化されている可能性があります。例えば、この小さな材料がランバート散乱体のように振る舞うのではないかと疑う場合、それをツールの中に入れて角度を回転させ、反射光の量を角度の関数として測定して、それがコサイン・シータ依存に従うかどうかを判断するかもしれません。そして、それが重要な理由は、私たちのソーラーモジュールの背面がランバート散乱体であることが非常に多いからです。そして、ある角度で出てくる光の一部は、モジュール内で全内部反射によって閉じ込められます。したがって、ここに巨視的なピラミッドがある代わりに、非常に、非常に小さなピラミッドがあった場合（まだ波長以下ではありませんが、より小さな特徴、例えば、この背面にあるテクスチャ化）、そしてそれが全内部反射によって捉えられた特定の角度で光を散乱させることに成功した場合。巨視的には、その表面の散乱挙動をランバート散乱体として記述できるかもしれません。しかし、全内部反射イベントを引き起こしているのは、それらの大きな角度で跳ね返っている波、光線です。したがって、ランバート散乱体という概念は、ソーラーセルデバイスの裏側で重要です。私たちは明らかに散乱プロファイルを変更したいと思うでしょう。必ずしも鏡面反射率を望むわけではありません。特定の角度で反射される光の量を最大化したいかもしれません。そして、もちろん、光をそのようにさせる方法を解明するための研究が行われています。講義の最後に、先週サイエンス誌に掲載されたばかりの論文を例として紹介します。そして、これらの散乱中心は、セルの背面、後部で、おおよそ次のように機能します。入射光があります。現時点では前面のテクスチャ化は無視しましょう。背面だけに焦点を当てましょう。そして、私たちがランダムと呼ぶもの、ランダム反射体、ランダムにテクスチャ化された反射体が背面にある場合、それがランバート様式で反射されると、その光の一部は表面法線に対して十分な大きな角度で散乱され、全内部反射によって閉じ込められます。そして、背面だけをテクスチャ化する必要はありません。バスバーもテクスチャ化できます。バスバーは、各ソーラーセルから電荷を収集するこれらの小さな金属線です。そして、それらは本質的に、あるセルの前面を次のセルの背面につないでいます。カソードからアノード、カソードからアノード、カソードからアノードとして考える場合、これらのセルすべてを直列に接続します。そして、この金属は非常に光沢があり、宇宙に光を反射しています。代わりに、その金属をテクスチャ化して、レーザー光がそれに当たったときに、ある量が角度で反射され、全内部反射によって捉えられるようにしたらどうでしょうか。そして、まさにそれが見えているものです。光はテクスチャ化されたバスバーでここで跳ね返り、ガラスでほぼ半分ここで跳ね返り、そしてここでセルに入るための2番目のチャンスを得ました。明らかに、その一部は反射されているので、それを見ることができます。しかし、その多くが入っています。そして、その小さな革新は、隣の建物でエリ・サックス教授によって開発されたもので、モジュールの性能を相対的に数パーセント向上させることができます。それはあまり多くないように聞こえるかもしれませんが、1000億ドルの産業であれば、1%は巨額のお金です。したがって、それは積み重なります。それは全内部反射に戻ります。したがって、これらすべてのテクスチャ化には限界があります。表面を改変または波状にして、スネルの法則と一般的な反射率方程式を使用したこれらのタイプのバウンスで光路長を増強することによって、光を閉じ込めることができる量には限界があります。そして、バークレーの教授であるイーライ・ヤブロノビッチという人物が、1982年頃にこれらのパラメータを計算し、光路長の上限を導き出しました。彼は、長い計算シリーズの後、表面テクスチャ化による光路長の最大増加に対する式を導き出し、それは4n²でした。そして、ヤブロノビッチ限界は、今日まで、材料が光を閉じ込める能力の非常に良いリトマス試験紙です。例えば、屈折率が赤外線で約3.6のシリコンを持っている場合、ヤブロノビッチ限界は約50であり、これは材料の厚さに対して光路長を50倍に増やすことができることを意味します。有機材料を持っている場合、通常最大2の屈折率を持つ場合、それは2乗されて16、その範囲になります。テクスチャ化によって、材料内の光路長を約20倍に増やすことができるでしょう。したがって、これは、特に大学院生が光起電力分野で研究している人々にとって有用なパラメータです。そして、大学院生はいつかヤブロノビッチ限界について質問するでしょう。したがって、それは心に留めておくべき有用なパラメータです。光を閉じ込める他のいくつかの形態に触れてみましょう。これまでは、光が連続波のように振る舞い、何も干渉せず、自分自身とも干渉しないと仮定していました。今度は、光が波であり、建設的および破壊的に干渉できるという考えから派生する、反射防止効果について議論します。ここにあるのは、屈折率n1の別の材料の層であり、これは空気のn0と吸収体材料のn2、例えばシリコンの間にあります。したがって、空気、反射防止コーティング、シリコンから屈折率の勾配があります。そして、ここに厚さd1があります。そして、ここに厚さd2があります。では、これらの2つの画像で何が起こっているのでしょうか？より明確な図で示しましょう。Wikipediaから取ったもので、その後、あの他の画像に戻ります。起こっていることは、何らかの理由でスネルの法則を無視している入射波があるということです。それは私には理解できません。しかし、とにかく、波は直線的に進んでいます。明らかに表面法線に向かって曲がるはずです。しかし、この界面とこの界面で反射があります。そして、この層の厚さがλ/4のオーダーであるため、入っていく波は、前面で反射される波に対して、まずλ/4、次に2倍のλ/4、つまりλ/2だけ位相がずれることになります。これは、2つの波がλ/2だけ位相がずれていることを意味し、それらは破壊的に干渉することを意味します。ピークはトラフになります。トラフはピークになります。したがって、2つの波が出てくるときに破壊的に干渉します。これら2つを足し合わせると、光の波動性により、反射率が抑制されます。そして、それは非常に興味深い特性です。この層の厚さを変えることができ、もちろん反射光の性質も変えることができます。望むなら建設的に干渉させ、この干渉効果の結果として反射光の量を増やすことができます。明らかに、ほとんどのソーラーセルでは、反射を抑制したいと考えています。したがって、この厚さと材料の屈折率を特定のシステムに合わせて最適化するために、多大な努力を払っています。そして、これを計算するための複雑な数学には立ち入らずに、これは間違いなく可能です。間違いなく行うべきことです。そして、大学院生はそれを割り当てられていると思います。それは宿題の最後の問題です。しかし、波長に依存しない非常に単純な概念的な理解のために、特定の波長、太陽スペクトルのピークの光子波長であるλ₀で反射率を最小化したい場合、その方程式を満たすように反射防止コーティングの厚さを設計する必要があります。つまり、λ/4です。それは、反射防止コーティングの1回の通過で望む位相シフトであり、2回の通過、つまり通過して戻るときに、表面反射光に対してλ/2だけ位相がずれることになります。それをnで割ったもの、nは材料の屈折率です。明らかに、光の周波数は、ある材料から別の材料へ移動するときに同じままです。しかし、波長は変化します。したがって、この方程式にnパラメータが現れるのはそのためです。tは最適な反射防止コーティングの厚さです。したがって、これらの工学的手法に自信を持たせるために、理想的な反射防止コーティングの厚さを計算してもらいたいと思います。これらのセルの反射防止コーティング。申し訳ありませんが、前面にも金属がありますので、区別が少し難しいです。しかし、私の右手にあるこちら側には、裸のシリコンがあります。そして、それはかなり反射性があることがわかります。私の左手にあるこちら側には、反射防止コーティングと前面の接触金属化が施されたシリコンがあります。だから、これらのグリッド線が見えるのです。しかし、それは非常に青く見えます。太陽スペクトルのピークは黄色ですが、そのピークでセルが非常によく吸収するため、非常に青く見えます。窒化シリコンの反射防止コーティングの最適な厚さを計算してください。屈折率は約2.1としましょう。それらの数字が理にかなっているか見てみましょう。窒化シリコンの屈折率は約550です。簡単にするために2と呼びましょう。そして、太陽スペクトルのピークは再び550と呼びましょう。では、すぐに計算してみましょう。その厚さはどうなるべきですか？聴衆：トニオ、すみません、定数を繰り返していただけますか？トニオ・ブオナッシージ：はい。したがって、n、屈折率は、窒化シリコンで約2になります。したがって、空気（屈折率1）、窒化シリコン、シリコンへと進みます。そして、太陽スペクトルのピーク、私たちのλ₀、真空または空気中の太陽スペクトルのピークにおける光子波長は、550ナノメートルです。それで、皆さんが計算している厚さはどのくらいですか？桁数で。聴衆：70ナノメートル。トニオ・ブオナッシージ：70ナノメートル。それは実際の厚さにほぼ正確で、通常70から80ナノメートルの範囲です。私の髪の毛の1000分の1の厚さのものが、このウェハーの表面に堆積され、このすべての光を吸収していると言っているのですか？それはかなりクールです。そして、それは光を吸収しているわけではありません。反射防止コーティングは光を吸収していません。これは非常に重要です。その下のソーラーセルが光を吸収することを望んでいます。反射防止コーティングは、反射率を抑制することによって、光が吸収されるのを可能にしています。その特定の波長での反射モードは、破壊的干渉のために抑制されています。それはクールです。私は反射防止コーティングに本当に興奮します。だから、それらは70ナノメートル厚です。そして、セル性能に関してかなりの改善が得られます。それを強調するために、すぐにいくつかのスライドを見せます。これは非常に簡単に、これらのスライドはオンラインで投稿しますので、アクセスできます。行列伝達法を使用すると、[？ゴンチェンの？]教科書に美しく説明されているように、反射防止コーティングの特定の厚さに対して、広いスペクトル範囲にわたる光の量を計算できます。今行ったことは、特定の波長での光の抑制を計算することでした。しかし、利用可能なツールを使用して、より広い波長範囲にわたるデバイスの反射率を計算することもできます。そして、それは非常にクールです。なぜなら、この関数を太陽スペクトルに掛け合わせ、サンプルに入る光の総量とサンプルに入る総エネルギーを計算し始めることができるからです。方程式、素晴らしい。ここで注目すべき重要なことは、それが本当に、本当に重要であるということです。これはガラスの下のシリコンです。例えば、典型的なソーラーセル材料は青色です。それは裸のシリコンよりも優れています。なぜガラスの下のシリコン、裸のシリコンよりも優れているのですか？ガラスの屈折率は約1.5です。聴衆：インデックスマッチング。ペア1から2.3へ、そして[INAUDIBLE]へ行きます。クラス間の差は小さいです。トニオ・ブオナッシージ：その通りです。反射率の量を記述した方程式を思い出せば、そこには...何でしたか？n1マイナスn2の量、2乗でしたね？したがって、n間のデルタが大きいほど、材料1と材料2の屈折率の差が大きいほど、その界面からの反射率は大きくなります。そして、光が両方向に進むスタックからの反射を減らすことができます。屈折率を段階的に変化させることによって。そして、もちろん、それは両方向の反射率を変えます。そして、ガラスの下にシリコンを置くと、ガラスの屈折率が空気とシリコンの間にあるため、反射光の総量が減少します。そして、屈折率が約...この特定のシステムでは、シリコンは再びより高い屈折率を持っています。2.3の屈折率を持つ反射防止コーティングを使用すると、厚さは、おそらく...65、75ナノメートルの範囲でしょう。したがって、これは、今日クラスで最初に触れた方程式、つまり屈折率の関数としての反射光、つまり屈折率マッチング、そして第二に、反射防止コーティングの設計、しばしばソーラーセル科学の専門用語でARC、反射防止コーティングと呼ばれるものを使用することによって、サンプルの前面からの光の反射を最小限に抑えることができるということです。そして、これら2つを組み合わせることで、前面からの反射が非常に低くなります。MITで作製するR&Dセルの約5%は、これらの技術を使用しており、業界ではかなり標準的です。そして、その影響を見ることができますね？裸の材料を使用している場合、30%の反射率が得られる場合、デバイスの電流出力が30%低下します。それはかなり重要です。したがって、これらはデバイスの性能を向上させる簡単な方法です。より洗練されたことをしたい場合、実際に光線追跡と呼ばれることをして、媒体を通過する光の経路を計算したい場合、今日議論したすべてを取り入れて計算してくれるソフトウェアがあります。それは簡単です。つまり、何かをプラグインします。光線追跡が得られます。反射率などを計算できます。しかし、それは入力したものと同じくらい賢いです。シミュレーションソフトウェアの背後にある基本的な原理を理解することが非常に重要です。なぜなら、入力したものしか得られないからです。例えば、この小さな材料をダブルクリックして、屈折率の実数成分が完全に間違っていることに気づかないかもしれません。そして、それに気づかないかもしれません。基本的な原理に基づいた良い直感がないと、それに気づかないかもしれません。したがって、今日提示したことを理解することが重要です。読書を理解し、もちろん、pセットも実行して、それらの基本的な原理を確実に理解することが重要です。講義全体を包括的にまとめると、光管理は吸収率が高いことを保証します。吸収率とは、本質的に、材料内で吸収される光の量であり、入射光の量で正規化されたもの、つまり1マイナスrです。したがって、光が吸収体に進入することを保証したいのです。反射を最小限に抑えたいのです。吸収体内の良好な光閉じ込めも保証したいのです。吸収体とは、材料、つまり太陽光を吸収し、最終的に電荷を生成する光起電力材料のことです。したがって、それを吸収体と呼びます。したがって、その内部での良好な光閉じ込めを保証したいのです。最大量の光が閉じ込められることを保証したいのです。その内部での光路長を最大化したいのです。そして、前面からの反射率を最小限に抑えたいのです。光閉じ込めを必ずしも必要としない、より洗練された光管理の方法もありますが、光の操作や半導体の操作もあります。例えば、入射光の波長を変えることができます。非常に簡単な例は、例えば、赤色光を蛍光体に当てると、暗闇で緑色に光る場合です。それは波長の変化です。赤色ではないかもしれません。緑色に光らせるには、おそらく青色を当てる必要があります。それはスペクトルダウンコンバーターの例であり、より高エネルギーの光を取り込み、より低エネルギーの光に変換します。同様に、2つの低エネルギー光子を取り込み、それを高エネルギー光子に変換しようとしている人々がいます。したがって、吸収係数が波長に依存するため、表面近くの材料を設計することによって光の波長をシフトさせることができれば、吸収も強化できます。それは光管理の一形態であり、有効な形態です。追加の利点もあります。ここにある長波長のものを排除できれば、それは熱であり、ほとんどのソーラーセルの性能は熱くなると低下します。そして、なぜそうなるのかを約5〜10回の講義で学びます。したがって、スペクトルアップコンバーターを管理したり、長波長の光をデバイスから反射したりできれば、そこで性能を向上させることもできます。それは、必ずしも光閉じ込めを必要としない別の形態の光管理です。したがって、再び、光管理が必要であることを強調したいと思います。これは光閉じ込めなし、青い曲線、そして光閉じ込めあり、光閉じ込めとは、本質的にデバイスの背面、デバイスの背面にある設計されたコーティングであり、ここから入ってくる光です。背面にあるコーティングを設計して光を反射させ、材料を通過する2回目のバウンスを得られるようにしました。前面を設計し、テクスチャ化して、2回のバウンスの利点だけでなく、スネルの法則が有利に働き、光路を増加させるだけでなく、両方の利点を得られるようにしました。したがって、全体として、このブーストがこれほど大きい理由は、材料の厚さに対して、実効光路長を増加させているからです。そして、その結果、より大きな電流出力を得ています。材料内でより多くの自由キャリアを生成しています。材料内でより多くの光を吸収しています。これは、セルの厚さに対する単純な計算です。そして、明らかに、デバイスを厚く、厚く、厚くしていくと、これは重要でなくなります。なぜなら、光閉じ込めが重要でなくなるからです。つまり、厚さ全体があります。1回の通過で光の大部分を吸収できます。しかし、デバイスが薄い場合、それは本当に重要になります。デバイスの厚さが光吸収、または光吸収係数の逆数、つまり拡張長に近づき始めると、吸収長で本当に重要になります。ただし、厚いデバイスでも光閉じ込めは依然として重要です。なぜなら、光を本質的に屈折または曲げることができれば、表面近くを移動するようにすれば、励起されたキャリアが収集されるまでに移動する必要のある距離は短くなります。したがって、厚いデバイスでも光閉じ込めを設計することによって追加の利点を得ることができます。このことについて質問はありますか？これは非常に重要です。だからこそ、今日講義のすべてを光管理について話すことに費やしたのです。このグラフのためです。それです。非常に高効率なデバイスの断面図を見せたいだけです。これは、現在利用可能な最も高効率なシリコンベースのデバイスの1つです。そして、私たちは、いわゆる背面ミラーを持っています。これは実際には誘電体材料の層であり、通常、クラスの最初に見た方程式、rイコール[INAUDIBLE] nマイナス1の量、2乗割るオープン括弧nプラス1の量、2乗を使用して、その界面から光を反射します。したがって、これはシリコンから背面の誘電体材料への屈折率の変化から利益を得ています。彼らは間違いなくそれをうまく利用しています。金属がある場所では、光を吸収します。または、誘電体半導体界面があった場合よりも、光を吸収する確率が高くなります。したがって、これらの超高効率デバイスのデバイス設計は非常に複雑になる可能性があります。そして、彼らは閉じ込めやその他のことについてもかなりの注意を払っています。聴衆：係数、それはそのものですか？トニオ・ブオナッシージ：これですか？実験室では24.2%、商業生産では22%強。22.4%、だったと思います。閉鎖まであと5分なので、最後にいくつか付け加えます。スネルの法則は、光が1つの媒体から別の媒体へ移動する際に位相シフトがないと仮定します。位相シフトを導入すると、これはハーバードの友人であるフェデリコ・カパッソが先週サイエンス誌に発表した論文です。1つの媒体または別の媒体を通過する際に光に位相シフトを導入すると、楽しいことができます。材料の表面全体に一定の位相シフト勾配を導入すると、例えばここに、各ノード、材料内の各点が、増加する量だけ遅延するため、波面が曲がります。これらは、これらの小さなノードの結果として生じるヒュイヘンス波面と考えることができます。そして、これらの各点での位相を独立に調整できれば、横方向に進むにつれて増加する遅延を引き起こすことができます。そして、それは光を、例えば、最大強度の点の、例えばピンク色をたどると、光が曲がっていることがわかります。そして、それは pretty cool です。なぜなら、原理的には、これが最新の情報であれば、そしてもちろん、それを私たちの利益のためにどのように使用するかを理解しようとしている研究者の大勢がいますが、異常屈折により、原理的には、材料内で光が曲がる角度を調整できるからです。おそらく、これの結果として、材料内でヤブロノビッチ限界を超えることさえできるかもしれません。そして、それは本当にエキサイティングです。毎日新しいことが出てきています。これがポイントです。光閉じ込めと光管理に関する新しいことが毎日出てきています。ほとんどはフォトニックデバイス用です。しかし、それらはソーラーセルにも転用できます。だから、目を離さないでください。そして、フォトンアップ/ダウンコンバーターのもう1つの例です。SPIEには最近の報告があり、光学コミュニティで大きな関心があります。このトピックを研究している人にTR35賞が与えられました。したがって、これも非常にエキサイティングで、成長中の分野です。再び、光を操作する機会は大きく、広大です。したがって、今日クラスで議論した、私たちを制約する法則、それらがあなたの思考を制約しないようにしてください。それが私の最後のメッセージです。ありがとう。